核桃举肢蛾地理种群遗传分化与性信息素变异机制研究

Atriglans hetaohei Yang (Lepidoptera: Oecophoridae) is a destructive pest of walnuts, whose larvae cause serious damages through tunneling into the tree fruits. Our understanding of the genetic differentiation, chemical communication and infestation regularity of this species is the key to make the green prevention and control strategy agaist this pest. Our previous research shows that A. hetaohei populations from different geographic regions respond differently to the sex pheromone components and have different life history. However, the mechanism of genetic differentiation and sex pheromone variation of this species remain unclear. For the current project we are taking our work further to utilize the microsatellite loci, the mitochondrial genes and elongation factor-1 alpha markers to analyze the genetic diversity and components, the genetic relationships and the disperse pathways of different geographic populations of A. hetaohei. Through testing the sequences, transcription levels and cloning genes among different geographic populations with sex pheromone variation, we will compare the differences of the sequences and transcription levels of the correlated sex pheromone biosynthesis genes, such as delta-11-desaturase, fatty acyl reductase, et al. We aim to identify the molecular basis of sex pheromone variation of A. hetaohei. In addition, the research is going to uncover the internal connections between the genetic differentiation and sex pheromone variation from different geographic populations. The results will contribute to providing the theoretical basis for designing sustainable pest disaster warning and control methods in accordance with the genetic components and sex pheromone variation of different A. hetaohei populations.

核桃举肢蛾是危害核桃的重要蛀果害虫，对其地理种群遗传分化、化学通信机制、灾变规律的深入了解，是制定该害虫绿色防控策略的关键。申请者前期研究发现核桃举肢蛾不同地理种群生活史明显不同，且对性信息素化合物反应也存在显著差异，但该害虫地理种群遗传多样性及性信息素变异遗传分化机制尚不明确。本研究拟在前期研究基础上，利用线粒体及微卫星标记等多种分子标记研究核桃举肢蛾不同地理种群遗传结构分化、亲缘关系及扩散规律；通过转录组测序、基因克隆比较性信息素变异种群的△11去饱和酶、脂酰还原酶等相关性信息素合成酶基因序列的异同及转录水平差异，明晰相关性信息素合成关键控制基因序列与表达调控，揭示引起性信息素变异的遗传分化分子机制，并探讨地理种群遗传分化与性信息素变异的相关性。研究将为制定符合核桃举肢蛾地理种群遗传结构与性信息素变异特点的灾害预警与防治策略提供理论依据。

本研究首次联合线粒体基因和核基因等对核桃举肢蛾进行系统地理学分析，明确了不同地理屏障对该物种分布格局的影响，并在此基础上进一步证实了农耕技术发展即人为因素在经济林木害虫种群变化和种群扩张的作用。基于线粒体基因组构建的单倍型网络图显示，核桃举肢蛾种群分为4个支系，西部与中部地区种群皆分为两个部分，这两个支系在长期的进化过程中存在强基因流交换，且有两个共享单倍型，即单倍型Hap_11和Hap_13。核桃举肢蛾可能起源于我国西北地区秦岭一带，其作为生物地理屏障和生物避难所起到了非常重要的作用。贝叶斯天空线结果显示核桃举肢蛾种群动态在距今约3500-4000年前时开始进入先慢后快的种群扩张过程。人类活动尤其是农业技术的发展对举肢蛾的种群分布和扩张提供了助力。基于核桃举肢蛾腹部末端转录组数据分析结果，共筛选鉴定了92条信息素合成和转运的相关基因，相关基因在不同性别、不同组织中一些候选基因的表达存在差异。通过RACE等克隆技术获得了AhetDes12、AhetDes5、AhetFAR1和AhetFAR16等基因的全长序列。秦岭山区雌成虫羽化三天时AhetDes12的表达量＞太行山区雌虫，而AhetDes5、AhetFAR1和AhetFAR16的表达量低于太行山区雌虫。序列分析表明秦岭山区和太行山区雌成虫AhetDes5的RNA序列与DNA序列完全一致，无地域性差异。初步推测核桃举肢蛾不同地理种群其性信息素活性物质与成分比例存在一定差异可能是由于其体内性信息素合成途径中的关键合成酶表达差异所造成。筛选出了Ubx、exd等与核桃举肢蛾后足特化发育相关的候选基因，筛选出了后足上参与嗅觉转导通路的候选基因。利用举肢蛾头部转录组数据筛选得到32个神经肽基因，获得了PBAN等与性信息素合成相关的神经肽基因序列。在多年研究的基础上核桃举肢蛾研究成果为基础，鉴定了“核桃病虫害成灾机理及全生育期防控技术创新与应用”科技成果，制定了“核桃病虫害综合防控技术规范”地方标准，为进一步深入了解其种群地理遗传进化、性信息素合成调控、防控技术具有重要的理论价值。